כיצד לתכנן ניהול תרמי אפקטיבי של ספקי כוח במערכות תעשייתיות ורפואיות

ניהול תרמי יעיל וחסכוני עבור יחידות הספקת-כוח (PSU) חשוב בעת תכנון מערכות תעשייתיות ורפואיות כדי להבטיח אמינות. תכנון מערכת ניהול תרמי יעילה עבור PSU היא פעילות מורכבת, ותלויה במידה רבה אם ה-PSU הוא במארז סגור או במסגרת פתוחה.

אם משתמשים ב-PSU במארז סגור, לסוג המארז יש השפעה על זרימת האוויר והפיזור התרמי. בעוד שמאווררים עוזרים, המתכננים צריכים לשקול את אמינות המאווררים כמו גם את הלחץ אחורה הנגרם על ידי מאווררי המערכת והיכול להפחית משמעותית את היעילות של מאוורר(י) ה-PSU, מה שעלול להעלות את טמפרטורות הפעולה של ה-PSU.

ליחידות PSU‏ יש לעתים קרובות יעילות נמוכה יותר בתנאי מתח קו כניסה נמוך. כתוצאה מכך יחידות המופעלות לתקופות ממושכות בתנאי מתח קו כניסה נמוך עלולות לגרום לפיזור תרמי גבוה יותר ולצורך בקירור נוסף. לבסוף, יחידות PSU‏ דורשות לעתים קרובות הורדת הערך הנומינלי (Derating‏) אם הן מופעלות בטמפרטורות גבוהות להן ניתן לצפות במערכות תעשייתיות ורפואיות.

כדי להאיץ את המימוש של מערכות ניהול תרמי יעילות, המתכננים יכולים לפנות ליחידות PSU‏ שתוכננו במיוחד עבור שימוש ביישומים תעשייתיים ורפואיים המציעים מגוון של אפשרויות ניהול תרמי.

מאמר זה סוקר את אתגרי הניהול התרמי בעת תכנון מערכות תעשייתיות ורפואיות ומציע הנחיות לתכנון פתרונות ניהול תרמי יעילים. לאחר מכן הוא מציג אפשרויות בעת שילוב רכיבי PSU בציוד תעשייתי ורפואי באמצעות יחידות PSU‏ של Bel Power Solutions‏ כדוגמאות מהעולם האמיתי, ומסיים עם כמה צעדים מעשיים שמתכננים יכולים לבצע בעת שילוב PSU בתכנון התרמי של המערכת הכוללת.

אתגרי ניהול תרמי של הספקת-כוח

אתגרי הניהול התרמי של PSU כוללים את זרימת האוויר של המערכת וההשפעה שיכולה להיות למאווררי המערכת על הביצועים של כל מאוורר המשולב ב-PSU, הטמפרטורה של סביבת הפעולה, הצורך בהספק שיא וההשפעה שיכולה להיות לתחום מתחי הכניסה על פיזור ההספק. אלו הם שיקולים מסדר-ראשון; מאמר זה אינו נוגע בשיקולי ניהול תרמי מסדר-שני הקשורים למערכות המותקנות בכונן או בסביבות מיוחדות כגון מרכזי נתונים.

אחד השיקולים הראשונים הוא כיוון זרימת האוויר עבור ה-PSU; זרימת אוויר רגילה יוצרת לחץ חיובי היוצא מהמערכת וזרימת אוויר הפוכה יוצרת לחץ חיובי הנכנס למערכת (איור 1).

איור 1: בזרימת אוויר רגילה, לחץ חיובי יוצא מהמערכת (משמאל). בזרימת אוויר הפוכה, לחץ חיובי נכנס למערכת (מימין). (מקור התמונה: Bel Power Solutions)

מאוורר אינו מספיק

יחידות PSU‏ רבות כוללות מאוורר קירור. במקום לפשט את התכן התרמי, PSU עם מאוורר יכול לסבך את התכן התרמי עם שיקולים של כיוון זרימת האוויר כמו גם אימפדנס ולחץ של זרימת האוויר על המערכת או השלדה. הסיבוכים כוללים:

• מאווררי מערכת יכולים להתחרות ולהפחית את היעילות של מאווררי PSU, ולהפחית את זרימת האוויר דרך ה-PSU.
• הכניסה למאוורר ה-PSU יכולה להיות בעלת אימפדנס גבוה באופן בלתי צפוי, המפחית את זרימת האוויר דרך ה-PSU.
• כבלים או מכשולים אחרים יכולים לחסום את זרימת האוויר ל-PSU ולהפחית את יעילות המאווררים.

ישנן מספר דרכים שבהן מאווררי מערכת ו-PSU יכולים ליצור אינטראקציה, דוגמאות מוצגות באיור 2 להלן:

1. מאוורר(י) ה-PSU יוצרים זרימת אוויר תקינה, אך הביצועים העיליים יותר של מאווררי המערכת גורמים ללחץ נמוך יותר (שלילי) בתוך השלדה, ובכך מפחיתים את יעילות מאוורר ה-PSU.
2. מאוורר(י) ה-PSU מייצרים זרימת אוויר הפוכה ומאוורר(י) המערכת עוזרים לקירור ה-PSU, לא נלחמים בו. עם זאת, אם האוויר הנכנס ל-PSU מגיע מחלל הפליטה של המערכת, הדבר עלול ליצור בעיות הכוללות הפחתה בזרימת האוויר נטו, כמו גם בעיות רה-סירקולציה הגורמות להצטברות חום ב-PSU.
3. כניסת האוויר ל-PSU מבודדת מזרימת האוויר הראשית של השלדה תוך הגנה על מאווררי ה-PSU מהפרעות ממאוורר(י) המערכת. כדי לממש את התועלת המקסימלית, ערוץ זרימת האוויר עבור ה-PSU צריך להיות בעל התנגדות נמוכה.

איור 2‏: תכנון תרמי חייב להביא בחשבון את כיוון זרימת האוויר ב-PSU ואת החוזקות היחסיות של ה-PSU ומאווררי המערכת. (מקור התמונה: Bel Power Solutions)

דירוג הספק שיא ונומינלי ו-Derating‏

הורדת הערך הנומינלי (Derating‏) שונה לרוב עבור הספק השיא לעומת ההספק הנומינלי. הספק השיא משתנה בתחום רחב, החל מכמה אלפיות-שנייה (ms) ועד 10 שניות או יותר, וזה שיקול חשוב במערכות תעשייתיות ורפואיות רבות. נבחן שתי סדרות PSU של 600 וואט הממוטבות עבור הספקי שיא שונים; סדרת ABC601 של ספקי כוח AC-DC תעשייתיים ורפואיים של Bel Power Solutions המדורגת עבור 10 שניות של הספק שיא, וסדרת VPS600 המדורגת עבור ms‏ 1‏ של הספק שיא.

סדרת ABC601 מספקת עד 600 וואט של הספק יציאה מיוצב בתחום מתחי כניסה מ-85 עד 305 וולט זרם חילופין (_AC‏V‏) עם יציאה יחידה של 24, 28, 36 או 48 וולט זרם ישר (_DC‏V‏). לדוגמה, ל-ABC601-1T48 יש יציאה של _DC‏V‏ 48‏. יחידות PSU‏ אלו מדורגות עבור 600 וואט של הספק רצוף או הספק שיא של עד 800 וואט למשך של עד 10 שניות בטמפרטורה של עד 60°C‏ עבור דגמים במארז סגור עם מאווררים מורכבים מקדימה (איור 3). יש להם יציאת הספק אופן-המתנה של _DC‏V‏ 5‏ המדורגת עבור 1.2 אמפר (A) עבור דגמי שלדת U, ו-A‏ 1.5‏ עבור דגמים עם מאוורר מורכב-מקדימה, עם יציאת מאוורר של 12 וולט, A‏ 1‏.

איור 3: הדגמים במארז סגור עם מאוורר מורכב-מקדימה של סדרת ABC601 מספקים הספק רצוף של עד 600 וואט (הקו האדום בגרף העליון) או עד 800 וואט למשך של עד 10 שניות (הקו האדום בגרף התחתון) בטמפרטורה של עד 60°C‏. (מקור התמונה: Bel Power Solutions)

סדרת ABC601 מגיעה בשני מארזים, שלדת מסגרת-U‏ או מארז סגור עם מאוורר מורכב-מקדימה (איור 4). סדרת ABC601 כוללת מעגל שיתוף זרם פנימי עבור פעולה במקביל בין יחידות להגדלת ההספק הכולל.

איור 4: ABC601 יחידות PSU‏ זמינות עם קירור מאוורר (למעלה) או קירור קונבקציה (למטה). (מקור התמונה: Bel Power Solutions)

סדרת EOS Power VPS600 של יחידות PSU‏ עם מסגרת פתוחה של Bel Power Solutions כוללת תחום כניסות צר יותר של _AC‏V‏ 85 עד 264 ומספקת עד 600 וואט של הספק יציאה רצוף והספק שיא של 720 וואט למשך ms‏ 1‏ (איור 5). יחידות PSU‏ אלו זמינות עם מתחי יציאה _DC‏V‏ 12, 15, 24, 30, 48 ו-58. לדוגמה, ל-VPS600-1048 יש יציאה של _DC‏V‏ 48‏. יחידות אלה כוללות יציאת הספקת-כוח אופן-המתנה של _DC‏V‏ 5‏, 500 מילי-אמפר (mA‏) ויציאת מאוורר 12 וולט, mA‏ 500‏. בעוד שסדרת ABC601 מוצעת בשני סגנונות מארז, סדרת VPS600 זמינה בשלושה עם דירוגי הספק שונים: ערוץ-U מקורר קונבקציה בדירוג של 600 וואט, יחידות עם כיסוי מחורץ בדירוג של 420 וואט, ויחידות עם כיסוי רגיל בדירוג של 360 וואט.

איור 5: סדרת VSP600 זמינה בשלוש תצורות מארז עם דירוגי הספק נומינליים שונים; יחידות ערוץ-U מקורר קונבקציה של 600 וואט, יחידות עם כיסוי מחורץ בדירוג של 420 וואט, ויחידות עם כיסוי רגיל בדירוג של 360 וואט. (מקור התמונה: Bel Power Solutions)

לאפשרויות מתחי היציאה השונים ולסגנונות המארז יש עקומות הורדת הערך הנומינלי (Derating‏) שונות. לדוגמה, ה- Derating‏ עבור יחידות עם יציאת _DC‏V‏ 24‏ הוא:

• מסגרת פתוחה
  • קונבקציה, 600 וואט רצוף עד ‎30°C‏
• כיסוי מחורץ
  • קונבקציה, 420 וואט רצוף עד ‎30°C‏
• כיסוי שטוח
  • קונבקציה, 360 וואט רצוף עד ‎30°C‏
• עבור כל סגנונות הכיסוי
  • הורדת הערך הנומינלי בין C‏°‏30‏ ו-C‏°‏50‏ ב-0.833% לכל C‏°‏
  • הורדת הערך הנומינלי מעל C‏°‏50‏ ב-2.5% לכל C‏°‏ עד מקסימום של 70°C‏

אפקט מתח הכניסה

נצילות ה-PSU‏ מופחתת במתחי כניסה נמוכים יותר, וכתוצאה מכך יש ירידה של הערך הנומינלי (Derating‏) של הספק היציאה הנומינלי. לדוגמה, ספקי-כוח AC-DC סדרת ABE1200/MBE1200 מספקים 1200 וואט עם מתחי כניסה של 180 עד 305 וולט _AC ו-1000 וואט עם מתחי כניסה של 85 עד 180 וולט _AC (איור 6). דירוגים נומינליים אלה הם מ-0°C‏ עד 60°C‏. ב-70°C‏, הדירוג הנומינלי יורד ליניארית מ-1200 ל-1100 וואט ומ-1000 ל-900 וואט, בהתאמה.

איור 6: יחידות PSU‏ ABE1200/MBE1200 מספקות 1200 וואט עם מתחי כניסה מ-180 עד 305 וולט _AC ו-1000 וואט עם מתחי כניסה מ-85 עד 180 וולט _AC. (מקור התמונה: Bel Power Solutions)

יחידות PSU‏ אלו כוללות בקרת מהירות מאוורר כדי להקטין למינימום את הרעש הנשמע כאשר אין צורך בזרימת אוויר מקסימלית. הן זמינות בשלושה מארזים תואמי גובה 1U, כולל דגם סגור עם שני מאווררים (בדגמי _DC‏V‏ 24‏ בלבד), ושלדה בצורת U עם שתי אפשרויות כיסוי מגן (איור 7).

איור 7‏: יחידות PSU‏ ABE1200 זמינות עם שני מאווררים רק דגמי _DC‏V‏ 24‏), ושתי אפשרויות של כיסויים מגנים. (מקור התמונה: Bel Power Solutions)

ה-DIN‏ הוא שונה

יחידות PSU‏ סדרת LEN120 הן בעלות דירוג הספק נומינלי של 120 וואט והן מתוכננות עבור הרכבה סטנדרטית על מסילות DIN. לדוגמה, ה-LEN120-12 מספק יציאה של _DC‏V ‏12 על פני תחום מתחי כניסה נומינליים של _AC‏V‏ 90 עד 264 (אוניברסלי) או _DC‏V‏ 127 עד 370 (איור 9). בעת הורדת הערך הנומינלי (Derating‏) של יחידות PSU‏ עבור מסילות DIN, גיליונות הנתונים לעיתים קרובות מציגים בו-זמנית מתחי כניסה ויציאה, בנוסף לטמפרטורות הפעולה. עבור סדרת LEN120:

• כל הדגמים
  • מ-20°C- עד 10°C-, עם כניסת מתח נומינלי של _AC‏V‏ 115‏, הערך הנומינלי של הספק היציאה יורד ב-C‏°‏/%‏2
  • מ-20°C- עד 10°C-, עם כניסת מתח נומינלי של _AC‏V‏ 230‏, אין צורך בהורדת הערך הנומינלי
  • מ-40°C+ עד 60°C+, עם כניסת מתח נומינלי של _AC‏V‏ 115‏, הערך הנומינלי של הספק היציאה יורד ב-C‏°‏/%‏2.5
  • עבור מתחי כניסה בין _AC‏V‏ 115 עד 264 ובין _DC‏V‏ 162 עד 370, אין צורך בהורדת הערך הנומינלי
  • עבור מתחי כניסה בין _AC‏V‏ 115 עד 90 ובין _DC‏V‏ 162 עד 127 (תנאי מתח קו נמוך), הערך הנומינלי של הספק היציאה יורד ב-V‏/%‏1
• דגם LEN120-12 (יציאת _DC‏V‏ 12‏)
  • מ-45°C+ עד 60°C+, עם כניסת מתח נומינלי של _AC‏V‏ 230‏, הערך הנומינלי של הספק היציאה יורד ב-C‏°‏/%‏3.33
• דגמים LEN120-24 ו-LEN120-48 (יציאה של _DC‏V‏ 48‏ ו-24, בהתאמה)
  • מ-50+ עד 60°C+, עם כניסת מתח נומינלי של _AC‏V‏ 230‏, הערך הנומינלי של הספק היציאה יורד ב-C‏°‏/%‏5

איור 8: יחידות PSU‏ למסילות DIN‏ סדרת LEN120 הן בדירוג של 120 וואט ומקוררות קונבקציה. (מקור התמונה: Bel Power Solutions)

צעדים מעשיים לקראת תכנים תרמיים טובים יותר

כפי שמוצג, השילוב של PSU במערכת כרוך בסוגיות תכן תרמי מורכבות. ישנם מספר צעדים מעשיים שהמתכננים יכולים לעשות כדי למנוע הפתעות לא נעימות:

• יצרני ה-PSU יכולה לספק מידע מפורט על הקשר בין זרימת אוויר מאוורר ללחץ הסטטי (עקומת P-Q), מה שמאפשר למתכננים לדעת לאיזו זרימת אוויר לצפות אם מאוורר ה-PSU יפעל עם או נגד לחץ אחורי פנימי במערכת.
• חלק מיצרני ה-PSU יכולים לספק מודלים תרמיים FlowTHERM של ה-PSU שניתן להשתמש בהם במודל המערכת הכולל כדי להעריך את הביצועים התרמיים של PSU ולזהות בעיות פוטנציאליות.
• בקשו מיצרן ה-PSU לבדוק את התכנון תרמי של המערכת ולהציע המלצות לניתוח נוסף, או לאשר את תקפות התכנון.

סיכום

ישנן מספר סוגיות שיש לקחת בחשבון בעת תכנון מערכת ניהול תרמית של PSU עבור יישומים רפואיים או תעשייתיים. הן כוללות את זרימת האוויר של המערכת, ההשפעה שיכולה להיות למאווררי המערכת על הביצועים של כל מאוורר המשולב בתוך ה-PSU, תחום טמפרטורות הפעולה המוגדר, הצורך לתמוך בהספקת שיא הספק, וההשפעה שיכולה להיות לתחום מתחי הכניסה על פיזור ההספק.

כדי לסייע בפתרון בעיות אלו, המתכננים יכולים לפנות לתכני PSU של Bel Industrial Power המותאמים לסביבות תרמיות ותרחישי יישומים שונים. בנוסף, קיימים כלים לניהול תרמי מיצרני PSU שיכולים לעזור להאיץ את תהליך התכנון.

קריאה מומלצת

1. בחירת מאוורר